Lee Smolin: Warum gibt es die Welt?

In der Einleitung seines Buches formuliert der bekannte Physiker Lee Smolin eine Reihe von Fragen:

1.    Warum gibt es in diesem Universum Leben? Warum ist es voller Sterne?

2.    Gibt es eine einzige, fundamentale Theorie, die die Eigenschaften der Elementarteilchen bestimmt, oder sind auch die Gesetze der Natur einer Entwicklung unterworfen?

3.    Ist es Zufall oder Notwendigkeit, daß das Universum eine solche Vielfalt an Struktur aufweist? Warum ist das Universum so interessant?

4.    Was sind Raum und Zeit?

5.    Wie können wir, die wir in dieser Welt leben, zu einer vollständigen und objektiven Beschreibung des Universums als Ganzem gelangen?

Im ersten Abschnitt beschreibt Smolin den aktuellen Stand des Wissens in der Physik. Die Elementarteilchen werden mit dem so genannten Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschrieben. Das Problem an diesem Modell ist, dass es etwa 20 freie Parameter hat, die ganz bestimmte Werte haben müssen, damit unsere Welt so ist, wie sie ist. Smolin zeigt an einigen Beispielen, wie bereits geringfügige Änderungen dieser Parameter zu einem anderen Universum führen, in dem kein Leben, so wie wir es kennen, möglich ist. Das anthropische Prinzip gefällt ihm als Erklärungsversuch überhaupt nicht, weil es keine Vorhersagen gestattet, anhand derer man es falsifizieren könnte.

Smolin beschreibt dann auf einer philosophischen Ebene die theoretischen Grundlagen der Stringtheorie(n). Vor der Stringtheorie hatte es bereits einen anderen Versuch gegeben, das Standardmodell durch ein grundlegenderes zu ersetzen. In diesem sollten die elementaren Bestandteile als punktförmige Teilchen beschrieben werden. Dieser Versuch, „die große Vereinheitlichung“, ist jedoch gescheitert.

Im Sinne eines radikalen Atomismus müßten die Elementarteilchen punktförmig sein. Sie dürfen keinen Raum einnehmen, denn anderenfalls hätten sie Teile oder Ausdehnung und wären, zumindest im Prinzip, teilbar. Damit wären sie aber nicht elementar.

Gleichzeitig verlangt die Idee der Vereinheitlichung aber, daß die verschiedenen Arten von Elementarteilchen – wie Quarks, Elektronen oder Neutrinos – nur verschiedene Erscheinungsformen eines einzigen, elementarsten Teilchens sind. Damit muß dieses elementarste Teilchen aber in mehreren unterschiedlichen Zuständen existieren können.

Hätten Elementarteilchen eine bestimmte Größe, hätten wir keine Schwierigkeiten, sie uns in verschiedenen Zuständen vorzustellen. Beispielsweise könnte das Teilchen in verschiedenen Formen existieren. Aber von einem Punkt, der keine Form und keine Ausdehnung hat, können wir uns nur schwer vorstellen, daß er in verschiedenen Zuständen oder Konfigurationen existiert. Doch wenn die Elementarteilchen keine Teile haben, dann müssen wir sie uns als Punkte vorstellen.

Die String-Theorie löst dieses Paradoxon, denn in ihr stehen am Ende des Reduktionsprozesses nicht Punkte als grundlegendste Dinge, sondern eindimensionale Strings. Und da es sich um die fundamentalen Dinge handelt, lassen sie sich nicht weiter zerlegen; es gibt keine Punktteilchen, in die ein String zerlegt werden könnte. Gleichzeitig können wir uns aber leicht vorstellen, daß der String in verschiedenen Zuständen existiert. Ein fundamentaler String kann in verschiedenen Moden schwingen, ebenso wie eine Gitarrensaite. Und diese verschiedenen Schwingungsmoden eines Strings interpretiert man in der String-Theorie als die verschiedenen Elementarteilchen.

Ein zentrales Thema des Buches ist, dass in der Quantenphysik im Gegensatz zur Relativitätstheorie Raum und Zeit noch als eine Art Bühne betrachtet werden, vor der sich das Geschehen abspielt. Einstein hatte für die Welt im Großen gezeigt, dass dieser „Newtonsche“ Gedanke nicht richtig sein kann. In der Allgemeinen Relativitätstheorie verändern Körper die Raumzeit um sich herum. Aber das ist noch nicht allgemein genug gedacht. Um Längen zu messen, benötigt man Längenmaßstäbe, um Zeiten zu messen, Uhren. Beide Dinge sind selbst Körper innerhalb des Universums. In einem Universum, in dem es nichts gibt, können auch Raum und Zeit nicht existieren. Eine Vereinigung von Relativitätstheorie mit der Quantenphysik muss deshalb auch erklären, wie die Elementarteilchen den Raum und die Zeit erzeugen bzw. welche Eigenschaften der Teilchen im Makroskopischen zu den Konzepten werden, die wir Raum und Zeit nennen.

Das Wort Quantum beschreibt die Physik des sehr Kleinen zutreffend, denn es gibt viele diskrete Aspekte der Mikrowelt in dem Sinne, daß physikalische Größen abgezählt werden. In der newtonschen Physik ist die Situation anders. Dort können praktisch alle interessanten Größen kontinuierlich sein, d.h., sie können jeden Wert annehmen. Nach der klassischen Vorstellung sind die Masse oder die Ladung eines Teilchens, seine Energie, sein Ort, sein Impuls und Drehimpuls alles Größen, die sich kontinuierlich verändern können. In der Quantenmechanik, so wie wir sie heute kennen, können einige dieser Größen nur diskrete Werte, d. h. Werte von ganzen Zahlen, annehmen. Die elektrische Ladung, der Drehimpuls sowie die Energieniveaus von gebundenen Systemen, wie beispielsweise Atomen, werden alle in diskreten Einheiten gezählt.

Doch nicht alle Größen sind in der Quantenphysik quantisiert. Der Ort eines Teilchens, das sich frei im Raum bewegt, kann sich kontinuierlich verändern, ebenso sein Impuls und seine Energie. Einige Denker vermuten daher, daß unsere heutige Quantentheorie nur ein Teilstück auf dem Weg zu einer wirklich grundlegenden Theorie ist, in der dann alle physikalischen Größen diskret würden. Ein Grund dafür ist, daß eine fundamentale Theorie so einfach wie möglich sein sollte, und keine Mathematik ist einfacher als das Zählen. Ein weiterer Grund liegt in dem Wunsch, daß eine wirklich fundamentale Theorie frei von verschiedenen Arten logischer Paradoxa sein sollte, die oft im Zusammenhang mit Mengen mit einer nicht mehr abzählbaren Anzahl von Elementen auftreten. Schon allein die korrekte Definition einer reellen Zahl erfordert einen geeigneten Grenzfall von einer unendlichen Anzahl von Mengen, von denen jede wiederum eine unendliche Anzahl von Elementen enthält. Irgendwie scheint es unwahrscheinlich, daß zur Beschreibung der Welt auf ihrer grundlegenden Stufe noch solche gedanklichen Verrenkungen notwendig sein sollen.

Letztlich hängen alle Größen, die auch in der Quantentheorie noch kontinuierlich sind, mit der Bewegung im Raum zusammen. Viele Leute kamen daher auf die Idee, daß diese kontinuierlichen Größen aus der Quantenbeschreibung verschwinden würden, falls sich auch Raum und Zeit selbst als im Grunde genommen diskrete Größen herausstellen sollten. Die Zitate zu Beginn dieses Kapitels zeigen, daß sogar Einstein über solche Möglichkeiten nachgedacht hat. Seit damals hat sich eine ganze Tradition aus Spekulationen entwickelt, wonach die zugrundeliegende Beschreibung der Raum-Zeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie in irgendeiner Form eine diskrete Struktur aufweist, die es noch zu entdecken gilt.

Für mich ist es eigentlich unzweifelhaft, dass Raum und Zeit in den Dimensionen von Planck-Länge und Planck-Zeit gequantelt sein müssen, anders sind die Probleme mit der endlichen Informationsmenge (Bekenstein-Grenze), die ein Raumgebiet enthalten kann, nicht zu lösen. Folgendes Gedankenexperiment:

In einem Raumgebiet mit einer endlichen Teilchenanzahl ist die Informationsmenge zur Kodierung der Art und der Lage der Teilchen begrenzt, es gibt also nur eine endliche Anzahl möglicher Konfigurationen. Wir nehmen zwei Konfigurationen, die sich nur durch die Lage eines einzelnen Teilchens unterscheiden und bilden den Mittelwert. Das Teilchen müsste sich also zwischen den Positionen in diesen beiden Konfigurationen befinden. Wenn sich diese Konfiguration von den beiden unterscheiden soll, gäbe es eine weitere Konfiguration – was aber wegen der endlichen Informationsmenge ausgeschlossen ist, denn wir kannten bereits vor der Mittelwertbildung alle möglichen Konfigurationen, die neue war nicht darunter.

In den beiden letzten Abschnitten beschäftigt sich Smolin damit, was Raum und Zeit letztlich für eine zukünftige Theorie der Quantenkosmologie bedeuten könnten, Raum z.B. als ein Netzwerk von Relationen. Für die Zeit ist es noch schwieriger, klar ist ja nur, dass a) die Welt hinreichend komplex sein muss, dass Uhren existieren, d.h. dass Veränderungen stattfinden können (etwas anderes ist physikalisch eine Uhr nicht) und dass b) letztlich Veränderungen die Zeit sind.

Der Hauptteil des Buches wird aber von den kosmologischen Überlegungen Smolins eingenommen. Er sieht sich in der Tradition von Leibniz. Der hatte als Zeitgenosse Newtons bereits Zweifel an dessem absoluten Raum und der absoluten Zeit, weil dieses Konzept ja nicht funktionieren kann: Wenn wir einen absoluten Raum und eine absolute Zeit haben, vor dessen Hintergrund alles geschieht, dann muss es eine erweiterte Welt geben, die die kleinere Welt und zusätzlich Raum und Zeit enthält. Smolin zitiert häufig das Leibnizsche Gesetz vom hinreichenden Grund, d.h. alles in der Welt muss eine Ursache haben, die innerhalb der Welt liegt. Er sieht es also für notwendig an, dass das Wesen des Universums nicht in der Existenz einzelner Teilchen besteht, sondern darin, dass sie durch ihre Wechselwirkungen ihre Eigenschaften ständig neu untereinander aushandeln – die Eigenschaften aller Dinge lassen sich nur verstehen, wenn man sie in Bezug zum Rest des Universums setzt.

Das ermöglicht eine ziemlich interessante Interpretation der Heisenbergschen Unschärferelation, ohne dass man dazu eine der sonst üblichen Deutungen benötigt (die Kopenhagener oder die Viele-Welten-Theorie). Ein Teil des Universums hat keine Kenntnis der außerhalb liegenden anderen Teile, erst durch die Messung verliert er diese Unkenntnis, wonach er gegenüber dem Messenden einen eindeutigen Zustand einnehmen kann.

Interessant in diesem auch ein Verweis auf eine Argumentation des Philosophen Thomas Breuer:

Es gibt ein einfaches Argument für die Aussage, daß kein Beobachter vollständige und objektive Erkenntnis von sich selbst erlangen kann. Ich lernte dies aus einem Artikel des jungen Philosophen Thomas Breuer. Der Kern der Argumentation ist recht einfach. Was ein Beobachter beobachtet, muß als Erinnerung in ihm selbst gespeichert sein. Der Akt der Beobachtung verändert notwendigerweise den Beobachter, denn sein Gedächtnis muß nun auch eine Aufzeichnung seiner Beobachtung enthalten. Sobald also ein Beobachter versucht, von sich selbst ein vollständigeres Bild zu erlangen, enthält sein Gedächtnis eine vollständige Beschreibung von ihm im Augenblick davor.

Doch nun hat sich sein Zustand verändert, und zwar drastisch, denn laut Definition kann diese Aufzeichnung einer vollständigen Kopie seiner selbst nicht in einer leichten Abänderung seines Zustandes bestehen. Seine Erinnerung besteht daher nicht aus einer Repräsentation seines gegenwärtigen Zustandes. Auch wenn er es immer wieder versucht, gibt es offensichtlich das Problem eines unendlichen Regresses (selbst wenn wir einmal annehmen, daß der Beobachter potentiell ein unendliches Erinnerungsvermögen hat).

Wenn wir uns selbst nicht vollständig beobachten können, kann unsere Sichtweise auch keine vollständige Beschreibung des gesamten Universums liefern. Es gibt daher keine eindeutige Sichtweise des Universums, die sowohl vollständig als auch objektiv ist, es sei denn, diese Sichtweise entspricht einem Etwas außerhalb des Universums. Sehen wir einmal von den Spekulationen über das Wissen irgendwelcher fiktiven Wesen außerhalb unserer Welt ab, dann müssen wir zu der Schlußfolgerung kommen, daß die Ein-Beobachter-Objektivität im Rahmen einer Quantentheorie des gesamten Universums unmöglich ist.

Für Lebewesen und auch für Sterne und Galaxien ist bekannt, dass es sich um komplexe, sich selbst organisierende Systeme handelt, die intrinsisch dafür sorgen, dass die Bedingungen für ihre Existenz aufrecht erhalten werden. Smolin hält das auch für das gesamte Universum für möglich. In diesem Fall sind die Naturgesetze (und die Konstanten des Standardmodells) nicht zufällig, sondern haben sich in einem evolutionären Prozess dahin entwickelt. Eine von Smolin angedachte Möglichkeit besteht z.B. darin, dass sich innerhalb Schwarzer Löcher neue Universen abspalten, deren physikalische Eigenschaften nur wenig von ihrem Mutteruniversum abweichen.

Ich glaube zwar nicht, dass das die richtige Theorie ist, aber Smolin kann zum Beispiel zeigen, dass die Werte der physikalischen Konstanten, die nach unserer Kenntnis Leben ermöglichen, exakt dieselben sind, die für die Existenz Schwarzer Löcher (und natürlich von Sternen und Galaxien) notwendig sind. Diese Evolution von Universen aus einander ist Smolins Gegenentwurf zum anthropischen Prinzip: Wenn sich Universen über Schwarze Löcher vermehren, dann wird der Auswahlprozess natürlich diejenigen Universen bevorzugen, die besonders viele Schwarze Löcher hervorbringen können – und das sind justament solche, die für die Entstehung von Leben (des uns bekannten Typs) besonders geeignet sind.

Der durchgängige Gedanke der Möglichkeit von etwas Neuem und von Evolution ist auch philosophisch von großer Bedeutung, denn:

Als wir (Newton) uns der Hypothese verschrieben haben, daß es eine deterministische physikalische Theorie gibt, mit der wir im Prinzip die Zukunft mit beliebiger Genauigkeit vorhersagen können, haben wir damit auch etwas sehr Wertvolles aufgegeben, nämlich den Glauben an die Möglichkeit von etwas Neuartigem. Sollte die Welt nur nach deterministischen Gesetzen ablaufen, dann ist die Zukunft in Wirklichkeit lediglich eine Manifestation der Gegenwart. Nichts Neues könnte sich ereignen, das nicht bereits in der Gegenwart kodiert wäre.

Ganz allgemein ist es im Rahmen einer platonischen Vorstellung von einer physikalischen Theorie sehr schwierig, an die Möglichkeit des Neuartigen zu glauben. In dem Maße, in dem sämtliche Strukturen in der Welt nur Abbilder idealer Formen sind, kann es nichts Neuartiges geben. Die Formen sind ewig. Die biologische Welt scheint dem zu widersprechen, denn die Geschichte der natürlichen Auslese ist voller Augenblicke, in denen Formen entstanden sind, die es vorher noch nicht gab. Die Versuchung ist sicherlich groß, in der Biologie von der Möglichkeit des Neuartigen zu sprechen.

Doch wenn wir an den deterministischen Charakter der fundamentalen Gesetze glauben, dürfen wir dann noch an das tatsächlich Neue glauben, oder müssen wir grundsätzlich auf der Unmöglichkeit des Neuartigen bestehen? Zumindest scheinen wir hier auf eine Frage gestoßen zu sein, der es sich lohnt nachzugehen: Wie können Prozesse, die vollständig durch physikalische Gesetze beschrieben werden, Dinge bzw. Kategorien von Dingen hervorbringen, die zu früheren Zeiten noch nicht existiert haben? Und ändert sich die Antwort auf diese Frage, wenn die physikalischen Gesetze selbst das Ergebnis von Prozessen der Selbstorganisation oder der natürlichen Auslese sind?

Ich habe zwei Wochen zum Lesen dieses Buchs benötigt. Nicht weil es so schwer verständlich ist, sondern weil es eine Fülle von Gedanken und Anregungen enthält, die es wert sind, dass man ihnen Beachtung schenkt.

Gastbeitrag von: Dr. Ralf Poschmann

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